Forschung für hochwertiges Batterierecycling
28.02.2023Rasenmäher, Elektroautos, E-Bikes oder Photovoltaikspeicher – viele technische Geräte und Verkehrsmittel werden heutzutage mit einem Akku ausgestattet. „Das sind riesige Mengen an Batterien und letztlich Ressourcen, die in absehbarer Zeit ins Recycling gehen. Dafür gibt es allerdings bisher noch nicht ausreichend Verwertungskapazitäten“, erklärt Bauingenieurin Merle Zorn. Am Fachbereich Bauingenieurwesen der FH Münster forscht sie dazu, wie sich Batterien effizienter recyceln lassen. Zorns Forschung ist eingebettet in das Verbundprojekt DemoSens – Digitalisierung einer automatisierten Demontage und sensorgestützten mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien für ein hochwertiges Recycling. Projektpartner sind Institute der RWTH Aachen University. Die Projektleitung liegt bei Prof. Dr. Sabine Flamme vom Institut für Infrastruktur – Wasser – Ressourcen – Umwelt (IWARU) der FH Münster.
FH-Alumna Merle Zorn forscht am Fachbereich Bauingenieurwesen im Verbundprojekt DemoSens zu Batterierecycling
© FH Münster / Michelle Liedtke
Bereits ihre Masterarbeit schrieb Zorn im Forschungsprojekt zur Demontage von Batteriepacks aus der E-Mobilität. „Derzeit werden die Akkus noch manuell demontiert. Mit den zu erwartenden großen Mengen an sogenannten End-of-Life Batterien, die in Zukunft anfallen, wird das so nicht mehr leistbar sein“, so die wissenschaftliche Mitarbeiterin. Daher hat sie im Projekt ein Labelingsystem auf Grundlage eines QR-Codes entwickelt, welches unter anderem Informationen für eine automatisierte Demontage enthält. Ein weiterer Knackpunkt beim Recycling: Lithium-Ionen-Batterien enthalten unterschiedliche Kathodenmaterialien – ein wesentlicher Bestandteil für die Funktion einer Batterie – etwa Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) oder Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). „Diese Unterkategorie zu kennen ist entscheidend, denn für eine hohe Effizienz ist das Recyclingverfahren präzise auf das jeweilige Kathodenmaterial abzustimmen.“ Angaben darüber sind jedoch bisher nicht auf den Akkus vermerkt. „Wir haben daher in dem Labelingkonzept Informationen zu allen verbauten Rohstoffen integriert.“ Eine Verordnung, die die Hersteller zu einer solchen Art von Informationslabel verpflichtet, ist derzeit in der EU-Kommission in Arbeit. Zorns Konzept gibt Anregungen für eine Erweiterung dieses Labels mit Informationen für eine automatisierte Demontage.
Verklebt oder verschraubt: Merle Zorn untersucht eine Stromleitschiene – ein Bauteil einer Elektrofahrzeugbatterie – aus Kupfer und einem Kunststoffgehäuse. Verschraubte Bauteile sind wesentlich recyclingfreundlicher
© FH Münster / Michelle Liedtke
Mittlerweile arbeitet die FH-Alumna mit einer vollen Stelle im Projekt. „Derzeit forsche ich daran, den Output aus Recyclinganlagen von Lithium-Ionen-Batterien und damit die Qualität der wiedergewonnenen Materialien zu verbessern“, so die Bauingenieurin. „Wir an der FH Münster konzentrieren uns auf eine frühzeitige sortenreine Rückgewinnung von Kupfer und Aluminium, denn darauf liegt in der laufenden Forschung im Batterierecycling ansonsten wenig Augenmerk.“ Die beiden Metalle finden sich an verschiedenen Stellen in der Elektrofahrzeugbatterie. So ist beispielsweise das Kathodenmaterial auf Aluminium-, das Anodenmaterial auf Kupferfolie aufgetragen. Das Gehäuse der Akkus und Zellen ist häufig aus Aluminium hergestellt. Stromleitschienen aus Kupfer verbinden die Zellen und leiten den Strom von der Batterie zum Automotor. Im Rezyklat liegen Kupfer und Aluminium bisher meist als Mischung vor. Damit geht Aluminium in der Regel im Recyclingverfahren verloren.
Derzeit forscht Merle Zorn dazu, wie in Batterien verbautes Kupfer und Aluminium sortenrein wiedergewonnen werden kann. Im Bild: Je nach Recyclingmethode liegen die Metalle in unterschiedlichen Formen und Mischanteilen vor
© FH Münster / Michelle Liedtke
Im November hat eine Versuchsreihe mit Maschinenherstellern stattgefunden, um zu prüfen, mit welchen Verfahren sich die Metalle noch weiter trennen lassen. „Im nächsten Schritt werten wir die Ergebnisse detailliert aus. Es hat sich gezeigt, dass eine Unterscheidung und Trennung der Metalle mit verschiedenen Maschinen grundsätzlich möglich ist“, so Zorn.
Zu Anfang ihres Bauingenieurstudiums an der FH Münster habe Zorn nicht gedacht, dass sie einmal in Richtung Batterierecycling gehen werde. „Prof. Flamme hat dann aber so interessante Projekte angeboten. Batterierecycling ist ein sehr relevantes Thema.“ Spannend finde sie vor allem die Aufbereitungsprozesse der Materialien und die Zusammenarbeit mit regionalen und internationalen Projektpartnern.
Zum Thema
DemoSens – Digitalisierung einer automatisierten Demontage und sensorgestützten mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien für ein hochwertiges Recycling – ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Verbundprojekt. Das Institut für Infrastruktur – Wasser – Ressourcen – Umwelt (IWARU) der FH Münster hat die Projektleitung inne und forscht gemeinsam mit Projektpartnern der RWTH Aachen University: dem Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME), dem Institut für Unternehmenskybernetik e.V. (IfU) sowie der Production Engineering of E-Mobility Components (PEM). Das Projekt läuft vom 1. Oktober 2020 bis 30. September 2023.
